起重机模拟培训系统若干关键技术探讨

1、起重机模拟培训系统若干关键技术探讨    内容导读：据虚拟环境提供的视觉、听觉和触觉反馈,直接感知操纵对象的结构和工作原理,构想操纵动作要领,体验在现实世界中经常发生或者极少发生的各类生产工况,并取得令人满足的培训效果。起重机是一类广泛应用于冶金、制造、港口、水电、建筑等行业的物流运输设备,同时,起重机也属于特种设备的范畴,起重机司机必须经过严格的安全技术理 虚拟现实是一种先进的、自然的、直接的人机交互技术,它能够同时提供诸如视觉、听觉、触觉等多种感知,允许用户与计算机中的模型进行实时交互,并使他们获得与真实世界相似的体验。随着计算机技术的迅猛发展,虚拟

2、现实技术的研究越来越深入,其应用领域也越来越广泛。模拟培训系统是一种集成了传感器技术、计算机接口技术、三维实时动画技术、人工智能技术、数据通讯技术、网络技术、多媒体技术等先进技术于一体的仿真系统,它不仅具有节能、安全、经济等优点,而且培训不受时间、天气、场地的限制。借助虚拟现实技术的3I特性沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination),受训者可以沉浸在虚拟操纵环境当中。根据虚拟环境提供的视觉、听觉和触觉反馈,直接感知操纵对象的结构和工作原理,构想操纵动作要领,体验在现实世界中经常发生或者极少发生的各类生产工况,并取得令人满足的培训效果。起重机是一类

3、广泛应用于冶金、制造、港口、水电、建筑等行业的物流运输设备,同时,起重机也属于特种设备的范畴,起重机司机必须经过严格的安全技术理论学习和安全技术操纵实践,考核合格之后方能获证上岗。目前起重机司机受训的实践操纵与考核环节大部分是在租用工厂的起重机上进行,这种方式固然能够使受训者获得直接的受训体验,但也存在较大的安全隐患,同时具有受训资源受限、能耗浪费大、考核评估缺乏客观性、培训效果不尽如人意等缺点,这给当前起重机司机的培养工作带来了极大的挑战。研究并开发性能卓越、功能强大的起重机模拟培训系统并将其用于起重机司机的培训工作,是迎接这一挑战的最有效方法,本文即是在这一背景下选题并展开研究的。本文针对

4、起重机司机培训的特殊要求,分析了起重机模拟培训系统的特点与组成,建立了融合技能练习和理论知识教学于一体的培训实施框架,并对其中的建模理论与方法、纹理殊效与性能优化技术、可运动的虚拟人体建模及其自由变分的结构特点采取了有针对性的建模策略,建立了包含大车、小车和取物装置等主要运动构件的层次模型;基于模板文件实现了可参数驱动的箱形梁虚拟建模,解决了系列化箱形结构的快速建模问题;基于面向对象技术设计了若干典型型材的自定义原型节点,可以实现快捷方便的型材虚拟建模。3、研究了纹理殊效与性能优化技术。采用具有透明 形方法、适于起重机受训环境的视景显示方案、面向操控的人机交互技术等内容进行了系统、深入的研究。

5、论文选题具有重要的理论意义与实用价值,取得的成果和创新点主要有;1、提出了一种新的模拟培训的实旋框架,指出模拟培训系统不仅应该具有模拟操纵功能,还要具有理论知识教学功能;针对起重机司机培训的要求,给出了一种系统组成结构,并采用多层次的视景模型以适应不同的培训目的。2、研究了基于景物几何的起重机虚拟场景的建模方法。根据起重机工作场景不同组成部分的结构特点采取了有针对性的建模策略,建立了包含大车、小车和取物装置等主要运动构件的层次模型;基于模板文件实现了可参数驱动的箱形梁虚拟建模,解决了系列化箱形结构的快速建模问题;基于面向对象技术设计了若干典型型材的自定义原型节点,可以实现快捷方便的型材虚拟建模

6、。3、研究了纹理殊效与性能优化技术。采用具有透明度信息的纹理图像,实现了基于简单造型节点和纹理映射技术的桁架结构建模;基于多重纹理的光照技术,实现了箱形梁内部场景的移动光照效果;从文件的优化、模型的优化和纹理的优化三个方面出发,研究了VRML场景的优化处理技术;采用Bsp树对场景模型进行组织和管理,有效地控制了三角形面片的渲染数量。4、研究了基于骨架的虚拟人体建模方法,结合人体关节的国际标准H-Anim及其中的四种关节层次,利用插补算法实现了关节的运动控制,利用FFD技术实现了人体腰部的弯曲变形。5、研究了视觉和操纵两方面的若干人机交互技术。分析了目前起重机模拟培训常用的几种视景显示方案,提出

7、了一种基于增强现实的显示概念,并对其中若干问题的实现方法进行了探讨;研究了基于操纵的人机交互技术,通过期间或造型位置与起重机运动参数之间建立的联系,实现了两种典型的虚拟控制器;提出了一种基于虚拟键盘映射技术的物理控制器解决方案,设计了一个小巧、灵活的控制盒原型,可以方便地操纵虚拟起重机并实现有关运动。本文1.2提高复杂场景逼真程度的建模技术42-453.2起重机虚拟环境的几何建模研究45-523.2.1起重机虚拟环境的几何模型分类及其特点45-473.2.2基于VRML的虚拟场景构建47-523.3上一页 1 2 3 4 5 6

8、60;下一页 的研究没有也不可能包含起重机模拟培训系统中的所有问题,但希望以本文的研究为基础,对相关理论和方法的研究能够得到延续和发展,起重机模拟培训系统也能够尽快得以实用。【关键词】：虚拟建模性能优化Bsp树H-Anim视景显示操纵交互物理控制器【论文提纲】：· 摘要4-6· Abstract6-13· 第1章绪论13-23· 1.1研究背景13-15· 1.1.1课题的提出13-14· 1.1.2课题来源14-15· 1.2国内外相关研究现状15-20· 1.2.1练习模拟器的上风15-16· 1.2

9、.2练习模拟器的研究现状16-17· 1.2.3起重机练习模拟器的研究现状17-19· 1.2.4起重机练习模拟器与一般机车驾驶模拟器的差异19-20· 1.3课题研究的目的和意义20-21· 1.4课题的研究内容21-23· 第2章起重机模拟培训系统的系统分析和设计23-39· 2.1培训系统的概念23-25· 2.1.1培训和练习的比较23· 2.1.2培训系统的内涵23-25· 2.2起重机模拟培训系统的总体框架25-34· 2.2.1起重机司机的培训内容25-27· 2.2.2

10、起重机模拟培训系统的组成27-28· 2.2.3起重机模拟培训系统的工作原理28-29· 2.2.4起重机模拟培训系统的体系结构29-34· 2.3系统开发的关键技术34-38· 2.3.1视景仿真技术35· 2.3.2虚拟现实交互技术35-36· 2.3.3虚拟人建模技术36· 2.3.4增强虚拟技术36-37· 2.3.5面向对象技术37· 2.3.6分布式技术37-38· 2.4本章小结38-39· 第3章起重机虚拟环境几何建模研究39-64· 3.1基于几何的虚拟环境

11、建模39-45· 3.1.1虚拟环境几何模型的描述方法39-42· 3.1.2提高复杂场景逼真程度的建模技术42-45· 3.2起重机虚拟环境的几何建模研究45-52· 3.2.1起重机虚拟环境的几何模型分类及其特点45-47· 3.2.2基于VRML的虚拟场景构建47-52· 3.3 桥式起重机动力学模型研究52-54· 3.4金属结构几何建模的特殊方法研究54-63· 3.4.1基于可驱动虚拟模型的箱形结构建模55-60· 3.4.2基于自定义节点的型材建模60-63· 3.5本章小结63-

12、64· 第4章纹理技术在金属结构建模中的应用研究64-78· 4.1纹理技术概述64-69· 4.1.1纹理映射技术基本原理64-66· 4.1.2纹理的获取方法66-67· 4.1.3提高纹理映射质量的方法67-68· 4.1.4VRML对纹理映射的支持68-69· 4.2透明纹理映射技术及其在析架结构建模中的应用69-72· 4.3基于多重纹理的建模研究72-77· 4.3.1多重纹理概述72-74· 4.3.2VRML中多重纹理的实现框架74-75· 4.3.3多重纹理实例箱形梁

13、内部的移动光照75-77· 4.4本章小结77-78· 第5章起重机复杂场景的性能优化78-91· 5.1提高实时性的建模技术78-81· 5.1.1LOD(LevelofDetail)技术78-79· 5.1.2可见性裁剪(VisibilityCulling)79-81· 5.2起重机虚拟场景的优化81-85· 5.3起重机虚拟场景的可见性计算85-90· 5.4本章小结90-91· 第6章虚拟人体的建模研究91-118· 6.1虚拟人的应用背景91-93· 6.2虚拟人研究领域的技

14、术现状93-99· 6.2.1虚拟人体几何建模方面93-96· 6.2.2运动控制研究方面96-98· 6.2.3虚拟人体变形研究方面98-99· 6.3基于骨架的虚拟人体建模方法研究99-112· 6.3.1基本原理99-100· 6.3.2H-Anim规范概况100-102· 6.3.3H-Anim的节点描述102-105· 6.3.4具有简单动作的虚拟人体建模实践105-112· 6.4基于FFD的NURBs曲面变形研究112-117· 6.4.1FFD基本原理112-115·

15、6.4.2基于FFD的人体腰部弯曲变形实例115-117· 6.5本-1327.3.1基于桌面的显示方案127-1297.3.2基于投影的显示方案129-1307.3.3基于HMD的显示方案130-1317.3.4三种显示方式的比较131-1327.4一种增强虚拟的视景显示方案132-1377.4.1增强虚拟显示方式的工作原理132-1347.4.2基于头部跟踪的视点控制134-1367.4.3基于视频的纹理映射136-1377.4.4目前增强虚拟方案中存在的问题1377.5 章小结117-118· 第7章视景显示方案的研究118-138· 7.1视觉显示的表现属

16、性118-120· 7.1.1分辨率118-119· 7.1.2视场角(fieleofview,FOV)119· 7.1.3可视范围(fieleofregard,FOR)119· 7.1.4焦距119· 7.1.5遮挡性119-120· 7.1.6立体显示效果120· 7.2立体显示技术的原理和实现120-127· 7.2.1立体显示的基本原理120-122· 7.2.2立体显示的相关设备122-124· 7.2.3基于VRML的立体显示实现技术124-127· 7.3典型视景显示方案

17、127-132· 7.3.1基于桌面的显示方案127-129· 7.3.2基于投影的显示方案129-130· 7.3.3基于HMD的显示方案130-131· 7.3.4三种显示方式的比较131-132· 7.4一种增强虚拟的视景显示方案132-137· 7.4.1增强虚拟显示方式的工作原理132-134· 7.4.2基于头部跟踪的视点控制134-136· 7.4.3基于视频的纹理映射136-137· 7.4.4目前增强虚拟方案中存在的问题137· 7.5本章小结137-138· 第8章

18、面向操纵的人机交互方式研究138-157· 8.1人机交互技术发展概况138-141· 8.2行驶平顺性对司机操纵的影响141-143· 8.3操纵虚拟世界的主要方法143-144· 8.4虚拟控制器的设计与实现144-150· 8.4.1虚拟元件概况144-146· 8.4.2虚拟按钮的设计与实现146-148· 8.4.3虚拟推杆的设计与实现148-150· 8.5物理控制器的设计与实现150-156· 8.5.1控制器的组成及其控制原理150-151· 8.5.2采集信号与虚拟键盘按键信号的映射方法151-152· 8.5.3VRML场景的键盘控制与交互152-155· 8.5.4一种简单小巧的物理控制盒实例155-156· 8.6本章小结156-157· 第9章全文总结及研究展望157-1609.1全文总结157-1589.2研究展望158-1